砂土中水平锚板竖向拉拔承载特性与承载力计算方法研究

来源 :湖南科技大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:lizhou555
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锚板基础具有优良的抗拔承载性能,因而广泛地应用于输电线路、隧道、边坡防护等各类岩土工程中。长期以来,锚板的极限抗拔承载特性是岩土工程领域的研究重点之一,特别是较为典型的水平锚板。然而,目前国内外研究始终存在人为区分浅埋、深埋,但关于锚板临界埋深比的取值却无统一认识的问题,长宽比对锚板受力特性的影响研究较少,不足以进行定量描述。以上问题的本质是对于锚板的抗拔承载机理认识不充分,导致相应的理论与规范方法无法全面为工程设计提供支撑。因此有必要对于水平锚板竖向拉拔承载特性进行更深入研究。本文通过自制一套水平锚板可视化拉拔试验装置,采用缩尺模型试验,定制了五种长宽比(板宽B=7.5cm,板长L=7.5cm、15cm、22.5cm、30cm、37.5cm)的锚板,每一组进行了四个埋深比(H/B=1/2/4/8)共20个工况下竖向拉拔实验,获得相应的荷载位移曲线,分析埋深比、长宽比对锚板极限抗拔承载力的影响规律。基于数字照相测量技术识别锚周土体的位移变形场,分析承载机理。由试验可得:锚板单位面积承载力随埋深比增加而增加,但并不呈线性增长关系;在埋深为1D、2D、4D时,极限承载力与锚板面积的比值随着长宽比增加而减小;在埋深为8D时,长宽比对其比值影响很小;在确定埋深和确定板宽的前提下,增大锚板长度,对其板宽侧滑动面几乎无影响。利用有限元分析软件ABAQUS对水平锚板展开竖向拉拔数值模拟,基于等效塑性变形云图开展埋深比、长宽比对锚板不同方向滑动面的影响规律分析。结果表明:本次模拟工况下,锚板长度和宽度方向对称面平面内的滑动面与锚板、地面所围塑性区面积随埋深比的增加而线性增大;H/B<5时,长宽方向对称面平面内滑动面高度也与埋深比呈线性增大关系,继续增大长宽比,则滑动面高度几乎不在增加,且其大小由板宽决定。并且板长侧滑动面的高度由板宽决定。因此对矩形锚板而言,板宽决定滑动面的高度,板长侧滑动面面积与长宽比成线性增长关系;不同深度水平面内滑动面的形态可用锚板长度、宽度和四分之一圆弧组合而成进行描述。对同一锚板增大埋深比,锚周土体的滑动面由直线延伸至地表逐渐发展成以曲线形态向锚板中心收缩,并最终在地表以下土体内部形成封闭的滑动面。基于水平锚板竖向拉拔承载机理分析,本文提出了可描述极限拉拔下锚周土体滑动面随埋深比连续演化的对数螺旋线形态函数,建立了无需区分浅埋、深埋的极限承载统一力学模型。根据锚板埋深、滑动面交点与锚板距离以及滑动面上切线为竖直线时对应点到锚板距离这三者的相对大小关系,分3种情况建立极限平衡方程,推导出水平条形锚板竖向拉拔极限承载力计算统一计算方法。结果表明:新的力学模型很好地反映了锚周土体破坏特性随埋深比的连续变化规律,无需再人为区分浅埋和深埋。在对5个试验案例的计算分析中,统一计算方法法的计算效果在总共9种方法中排名第2,显示出具有较强的适应性。以上述条形板拉拔承载理论为基础,考虑长宽比对承载力的影响,观察在Z方向滑动面土体的形态,将滑动面简化为可微分与积分计算的模型,滑动面可以拼成三部分,分别计算承载力,同样建立了无需区分浅埋、深埋的三维矩形锚板极限承载统一力学模型,同样根据锚板埋深、滑动面交点与锚板距离以及滑动面上切线为竖直线时对应点到锚板距离这三者的相对大小关系,分3种情况建立极限平衡方程,推导出水平矩形锚板竖向拉拔极限承载力计算统一计算方法。结果表明:新的三维力学模型很好地反映了锚周土体破坏特性随埋深比的连续变化规律,无需再人为区分浅埋和深埋。在对4个试验案例8种工况的计算分析中,统一计算方法法的计算效果在总共5种方法中排名第2,显示出具有较强的适应性。
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